Talk about what the evaluation of the BDGIM ionospheric delay model in China reveals
Date:
🇷🇺 Тестирование модели ионосферной задержки BDGIM в регионе Китая.
Ионосферная задержка распространения радиосигнала является одним из основных источников ошибок в задаче позиционирования с использованием глобальных спутниковых навигационных систем GNSS. Она определяется распределением электронной концентрации в ионосфере и пропорциональна полному электронному содержанию TEC вдоль луча спутник - приемник. В случае использования одночастотного режима навигации ионосферная задержка должна быть оценена с достаточной точностью с использованием эмпирической ионосферной модели. Среди таких моделей чаще всего используют модель Клобучара. В последние годы с развитием китайской навигационной системы BeiDou была разработана новая эмпирическая модель ионосферы BDGIM использующая больший по сравнению с моделью Клобучара набор коэффициентов при оценке ионосферной задержки, что может обеспечить большую точность моделирования TEC.
В настоящей работе приведены результаты сравнительного тестирования ионосферных моделей Клобучара и BDGIM в регионе Китая. В качестве экспериментальных данных о состоянии ионосферы использовались при этом глобальные карты TEC центра CODE, хорошо зарекомендовавшие себя в предыдущих исследованиях. Рассмотрены вариации ошибки в оценке TEC на различных временных масштабах — суточном, сезонном, внутри цикла солнечной активности, а также в периоды сильных геомагнитных возмущений. Показано, что при сравнимом количестве вещаемых коэффициентов и вычислительных затратах модель BDGIM описывает больше ионосферной изменчивости в средних широтах по сравнению с моделью Klobuchar. Обе данных модели при этом уступают более сложной модели NeQuick.
В спокойных геомагнитных условиях наблюдается практически 20% улучшение в оценке TEC при использовании модели BDGIM, по сравнению с моделью Клобучара. В возмущенных геомагнитных условиях ошибки обоих моделей возрастают. Это может происходить как на фазе восстановления, так и на главной фазе бури. Отчасти это можно объяснить недостаточно частым обновлением вещаемых в навигационных сообщениях коэффициентов. Ход абсолютной ошибки оценки TEC для расмотренных моделей в целом повторяет вариации TEC — максимальным значениям TEC соответствуют максимальные значения ошибки моделирования TEC. Таким образом в вариациях ошибки моделирования TEC наблюдается ярко выраженный суточный ход с максимумом в полуденные часы; 27 дневная гармоника, связанная с вращением Солнца и вариациями ионизирующего излучения; сезонные вариации с максимумами в периоды равноденствий и минимумами в периоды солнцестояний, связанные с соответствующими вариациями зенитного угла Солнца, а также особенностями циркуляции в термосфере.
Полученные результаты могут быть полезны для дальнейшего уточнения эмпирических моделей ионосферы используемых в системах GNSS.
🇺🇸 Testing the BDGIM Ionospheric Delay Model in the Region of China
The ionospheric delay of radio signal propagation is one of the main sources of positioning error in Global Navigation Satellite Systems (GNSS). This delay is determined by the distribution of electron density in the ionosphere and is proportional to the Total Electron Content (TEC) along the satellite–receiver path. In single-frequency navigation mode, the ionospheric delay must be estimated with sufficient accuracy using an empirical ionospheric model. Among such models, the Klobuchar model is the most commonly used. In recent years, with the development of the Chinese BeiDou navigation system, a new empirical ionospheric model, BDGIM, has been introduced. Compared with the Klobuchar model, BDGIM employs a larger set of coefficients in estimating ionospheric delay, which potentially provides more accurate TEC modeling.
This study presents comparative testing results of the Klobuchar and BDGIM ionospheric models in the region of China. As experimental ionospheric data, we used global TEC maps from the CODE analysis center, which have proven reliable in previous studies. We examined variations of TEC estimation error across different temporal scales—diurnal, seasonal, intra-solar-cycle, as well as during periods of strong geomagnetic disturbances. The results show that, with a comparable number of broadcast coefficients and computational costs, the BDGIM model captures more ionospheric variability in mid-latitudes than the Klobuchar model. Nevertheless, both models remain inferior to the more sophisticated NeQuick model.
Under quiet geomagnetic conditions, BDGIM demonstrates nearly a 20% improvement in TEC estimation compared with the Klobuchar model. During geomagnetic disturbances, however, the errors of both models increase, which can occur both in the recovery phase and in the main phase of the storm. This can partly be attributed to the insufficient update frequency of broadcast coefficients in navigation messages. Overall, the absolute error of TEC estimation follows the variation of TEC itself—the maximum TEC values correspond to maximum modeling errors. Consequently, the TEC modeling errors exhibit a pronounced diurnal variation with a peak around noon; a 27-day periodicity associated with solar rotation and variations in ionizing radiation; as well as seasonal variations, with maxima during equinoxes and minima during solstices, related to changes in the solar zenith angle and thermospheric circulation.
These results can be useful for further refinement of empirical ionospheric models applied in GNSS systems.
🇨🇳 在中国地区对 BDGIM 电离层延迟模型的测试
电离层对无线电信号传播的延迟是全球卫星导航系统（GNSS）定位误差的主要来源之一。该延迟由电离层中电子浓度的分布决定，并且与卫星—接收机路径上的总电子含量（TEC）成正比。在单频导航模式下，电离层延迟必须通过经验电离层模型以足够的精度进行估计。在这类模型中，最常用的是 Klobuchar 模型。近年来，随着中国北斗导航系统的发展，提出了一种新的经验电离层模型 BDGIM。与 Klobuchar 模型相比，BDGIM 在估计电离层延迟时使用了更多的系数，从而能够更准确地模拟 TEC。
本文给出了在中国地区对 Klobuchar 和 BDGIM 电离层模型的比较测试结果。实验数据采用了 CODE 中心发布的全球 TEC 图，该产品在以往研究中已被证明可靠。研究分析了在不同时间尺度上的 TEC 估计误差变化，包括日变化、季节变化、太阳活动周期内的变化，以及强地磁扰动期间的变化。结果表明，在广播系数数量和计算量相当的情况下，BDGIM 模型在中纬度地区比 Klobuchar 模型能够更好地描述电离层的变化。然而，两者的表现均不及更复杂的 NeQuick 模型。
在平静的地磁条件下，使用 BDGIM 模型相比 Klobuchar 模型在 TEC 估计上有近 20% 的改进；但在地磁扰动条件下，两种模型的误差均显著增加，这种情况既可能出现在风暴的恢复阶段，也可能出现在主相阶段。这在一定程度上可以解释为导航电文中广播系数更新频率不足所致。总体上，TEC 估计的绝对误差与 TEC 的变化一致——TEC 值越大，TEC 模型误差也越大。因此，TEC 建模误差中呈现出明显的日变化规律（中午时最大）；27 天的周期变化，与太阳自转及电离辐射变化相关；以及季节性变化，在春分和秋分时达到最大，在夏至和冬至时达到最小，这与太阳天顶角变化及热层环流特征相关。
这些结果有助于进一步改进 GNSS 系统中使用的经验电离层模型。